(57)【要約】２以上のデバイスを導電接続するためのインターコネクト構造を、導電性材料を含む１又は２以上の導電性を有する第１の接合部と、前記第１の接合部よりも低導電性の１又は２以上の第２の接合部と、を、相互に分離して備えるようにする。
2017199448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上のデバイスを導電接続するためのインターコネクト構造であって、
導電性材料を含む１又は２以上の導電性を有する第１の接合部と、
前記第１の接合部よりも低導電性の１又は２以上の第２の接合部と、
を、相互に分離して備える、インターコネクト構造。
【請求項２】
前記２以上の第１の接合部を、マトリックス状に備える、請求項１に記載のインターコネクト構造。
【請求項３】
前記１つの第２の接合部が、前記１又は２以上の第１の接合部を包囲するパターンを有するセグメントを少なくとも１つ備える、請求項１又は２に記載のインターコネクト構造。
【請求項４】
前記セグメントを複数備える、請求項３に記載のインターコネクト構造。
【請求項５】
前記１又は２以上の第１の接合部及び前記１又は２以上の第２の接合部は、２以上のデバイスのうちの１つのデバイスの表面において、共通する高さを有してそのデバイス表面において前記高さを有する層を構成する、請求項１〜４のいずれかに記載のインターコネクト構造。
【請求項６】
前記１又は２以上の第１の接合部及び前記１又は２以上の第２の接合部は、金属材料を含有しない、請求項１〜５のいずれかに記載のインターコネクト構造。
【請求項７】
前記１又は２以上の第１の接合部及び前記１又は２以上の第２の接合部は、いずれもガラス材料を含む、請求項１〜６のいずれかに記載のインターコネクト構造。
【請求項８】
前記１又は２以上の第１の接合部は、導電性セラミックス材料と第１の粘性のガラス材料とを含み、前記１又は２以上の第２の接合部は、前記第１の粘性よりも低い第２の粘性のガラス材料を含む、請求項７に記載のインターコネクト構造。
【請求項９】
前記２以上のデバイスは、それぞれ緻密質無機材料表面を有し、これらの表面の間に導入するための、請求項１〜８のいずれかに記載のインターコネクト構造。
【請求項１０】
前記２以上のデバイスは、６００℃以上９００℃以下の高温域で使用するデバイスである、請求項１〜８のいずれかに記載のインターコネクト構造。
【請求項１１】
前記２以上のデバイスは、固体酸化物形燃料電池のスタック又はセルである、請求項１〜９のいずれかに記載のインターコネクト構造。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれかに記載のインターコネクト構造を備える、固体酸化物形燃料電池。
【請求項１３】
前記固体酸化物形燃料電池は、燃料極材料、空気極材料と、固体電解質と、ガスを遮断するセパレータ構造と、を備えるセルの一括焼成体を含む、請求項１２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１４】
前記固体酸化物形燃料電池は、前記セルの少なくとも一方に、前記インターコネクト構造を有する層を備える、請求項１３の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１５】
前記固体酸化物形燃料電池は、平板型である、請求項１２〜１４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１６】
２以上のデバイスの接合体の製造方法であって、
前記２以上のデバイスが備える少なくとも１つの表面上の導電接続要求部位とガスシール要求部位とに、それぞれ、導電性材料を含む１又は２以上の導電性を有する第１の接合部と、前記第１の接合部よりも低導電性の１又は２以上の第２の接合部と、を分離して配置する工程と、
前記１又は２以上の第１の接合部と前記１又は２以上の第２の接合部とを、同時に熱処理して、前記２以上のデバイスを接合する工程と、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、インターコネクト構造及び固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
６００℃〜９００℃程度の高温域で使用するデバイスにおいて、導電性と接着性との双方を実現する要素が必要なことがある。こうしたデバイスとして、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）がある。【０００３】
固体酸化物形燃料電池においては、燃料極、固体電解質及び空気極の積層構造を有する単セルに対して、燃料ガス（一般には水素ガス）を燃料極に、酸化ガス（一般には空気）を空気極に供給して発電する。固体酸化物形燃料電池においては、２種のガスを１つのデバイスに供給するために、燃料ガス及び酸化ガスの流路を緻密な金属材料やセラミック材料を含むセパレータを用いて分離する。また、固体酸化物形燃料電池においては、両端にガスを遮断するセパレータを含む単セル又は単セルを積層したスタックから導通をとる必要がある。【０００４】
固体酸化物形燃料電池において、セル及びスタック間の導通と密着を実現するための要素として、インターコネクタがある。【０００５】
また、インターコネクタに求められる高温での導通と接着性を実現するための要素としては、金属材料、セラミックス材料、ガラス等が挙げられる。なかでも、固体酸化物形燃料電池の性能向上のためには、高い電子導電性と高温で安定的な密着性が必要であるため、融点が比較的低い金属、セラミック材料、銀や白金等の金属微粒子を分散させたガラス（以下、金属分散ガラスともいう。）やランタンストロンチウムマンガナイト（（Ｌａ, Ｓｒ）ＭｎＯ３、ＬＳＭ）などの導電性酸化物材料を分散させたガラス（以下、酸化物分散ガラスともいう。）が用いられている（例えば、特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−８２４３３号公報
【発明の概要】
【０００７】
しかしながら、高温で高い導電性を示す金属分散ガラスであっても、大きな課題があった。すなわち、金属分散ガラスでは，金属とガラスとでは熱膨張率の差が大きいため、使用する際の熱処理や数回の昇降温で亀裂やはく離が生じることがあった。
【０００８】
また、酸化物分散ガラスにおいては、導電性を向上させるのが困難であるという問題があった。例えば、導電性が高く化学安定性に優れた酸化物材料の焼結には、一般に比較的高い温度が必要となる。したがって、ガラス中に分散させた酸化物粒子が焼結して高い導電性を示すためには、比較的高い温度での熱処理が必要となるが、ガラスの溶融に適した温度を考慮すると十分な高温の熱処理を確保しにくいためである。
【０００９】
以上のことから、これまでのところ、インターコネクタ及びセパレータとして機能することができる材料、すなわち、高導電性かつ優れた接着性を発揮できるほか、機械的強度、耐熱サイクル特性を十分に備えた信頼性の高い材料は知られていない。
【００１０】
本明細書は、導電性及び接着性に優れるインターコネクト構造を提供する。また、本明細書は、優れたインターコネクト構造を備える固体酸化物形燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、固体酸化物形燃料電池等における従来のインターコネクタの構造を再検討し、導電機能のための部分（以下、導電部ともいう。）と接着機能のための部分（以下、シール部ともいう。）とを分離して、それぞれ、導電性及び接着性の双方を付与すべきデバイス要素における導電性及び接着性の要求に応じて配置することで、これらの機能を同時に効率的に実現できるという知見を得た。こうした知見に基づき、本明細書の開示は、以下の手段を提供する。【００１２】
（１）２以上のデバイスを導電接続するためのインターコネクト構造であって、
導電性材料を含む１又は２以上の導電性を有する第１の接合部と、
前記第１の接合部よりも低導電性の１又は２以上の第２の接合部と、
を、相互に分離して備える、インターコネクト構造。
（２）前記２以上の第１の接合部を、マトリックス状に備える、（１）に記載のインターコネクト構造。
（３）前記１つの第２の接合部が、前記１又は２以上の第１の接合部を包囲するパターンを有するセグメントを少なくとも１つ備える、（１）又は（２）に記載のインターコネクト構造。
（４）前記セグメントを複数備える、（３）に記載のインターコネクト構造。
（５）前記１又は２以上の第１の接合部及び前記１又は２以上の第２の接合部は、２以上のデバイスのうちの１つのデバイスの表面において、共通する高さを有してそのデバイス表面において前記高さを有する層を構成する、（１）〜（４）いずれかに記載のインターコネクト構造。
（６）前記１又は２以上の第１の接合部及び前記１又は２以上の第２の接合部は、金属材料を含有しない、（１）〜（５）のいずれかに記載のインターコネクト構造。
（７）前記１又は２以上の第１の接合部及び前記１又は２以上の第２の接合部は、いずれもガラス材料を含む、（１）〜（６）のいずれかに記載のインターコネクト構造。
（８）前記１又は２以上の第１の接合部は、導電性セラミックス材料と第１の粘性のガラス材料とを含み、前記１又は２以上の第２の接合部は、前記第１の粘性よりも低い第２の粘性のガラス材料を含む、（７）に記載のインターコネクト構造。
（９）前記２以上のデバイスは、それぞれ緻密質無機材料表面を有し、これらの表面の間に導入するための、（１）〜（８）いずれかに記載のインターコネクト構造。
（１０）前記２以上のデバイスは、６００℃以上９００℃以下の高温域で使用するデバイスである、（１）〜（８）のいずれかに記載のインターコネクト構造。
（１１）前記２以上のデバイスは、固体酸化物形燃料電池のスタック又はガスを遮断するセパレータ構造を備えたセルである、（１）〜（９）のいずれかに記載のインターコネクト構造。
（１２）（１）〜（９）のいずれかに記載のインターコネクト構造を備える、固体酸化物形燃料電池。
（１３）前記固体酸化物形燃料電池は、燃料極材料、空気極材料と、固体電解質と、ガスを遮断するセパレータ構造と、を備えるセルの一括焼成体を含む、（１２）に記載の固体酸化物形燃料電池。
（１４）前記固体酸化物形燃料電池は、前記セルの少なくとも一方に、前記インターコネクト構造を有する層を備える、（１３）固体酸化物形燃料電池。
（１５）前記固体酸化物形燃料電池は、平板型である、（１２）〜（１４）のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
（１６）２以上のデバイスの接合体の製造方法であって、
前記２以上のデバイスが備える少なくとも１つの表面上の導電接続要求部位と接着要求部位とに、それぞれ、導電性材料を含む１又は２以上の導電性を有する第１の接合部と、前記第１の接合部よりも低導電性の１又は２以上の第２の接合部と、を分離して配置する工程と、
前記１又は２以上の第１の接合部と前記１又は２以上の第２の接合部とを、同時に熱処理して、前記２以上のデバイスを接合する工程と、
を備える、方法。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本明細書に開示されるインターコネクト構造における第１の接合部と第２の接合部との配置パターンを示す図Ａ〜Ｄである。
【図２】粘性の異なるガラスとＬＳＣを含む導電部材の導電率の温度依存性を示す図である。
【図３】ガラスペレットの変形による融着温度における粘性の評価を示す図である。
【図４】ＬＳＭと高粘性ガラスの混合割合と導電性との関係を示す図である。
【図５】ＬＳＭと高粘性ガラスの融着温度による微細構造の違いを示す図である。
【図６】様々な温度で融着した導電部材の導電率の温度依存性を示す図である。
【図７】導電部（ＬＳＭ＋１０ｍａｓｓ％高粘性ガラス）と融着部（中粘性ガラス）からなるインターコネクトの熱サイクル変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書は、２以上のデバイスを導電接続するためのインターコネクト構造及びその利用に関する。本明細書に開示されるインターコネクト構造（以下、単に、本インターコネクト構造ともいう。）は、導電性材料を含み導電性を有する第１の接合部と、第１の接合部よりも低導電性の第２の接合部とを、相互に分離して備えることができる。本インターコネクト構造によれば、こうした構成を採ることで、主として導電性接合を担う部分と、主として接合を担う部分とを相互に分離して、それぞれに適した材料を適所に配置することができる。これにより、従来、金属分散材料や酸化物分散材料などの導電性ガラス材料では実現できなかった導電性と接合性との双方を両立できる。この結果、ガスシール性及び機械的強度も確保することができる。
【００１５】
本インターコネクト構造においては、第１の接合部の材料やその配置を、導電性機能の観点から選択することができる。また、第２の接合部の材料やその配置を、接合性機能の観点から選択することができる。特に、第１の接合部及び第２の接合部を、いずれも金属材料非含有の酸化物系材料を用いることで、熱膨張係数が大きく異なる金属材料を含まないインターコネクト構造を構築することができる。
【００１６】
なお、以下、本インターコネクト構造及び本インターコネクト構造を用いたデバイスについて説明する。
【００１７】
本明細書において、デバイスとは、特に限定するものではないが、導電接続が好適若しくは要請されるデバイスであることが好ましい。こうしたデバイスとしては、熱電変換素子及びモジュール、ＮＡＳ電池等昇温作動型蓄電池、積層コンデンサ等が挙げられる。
【００１８】
デバイスとしては、５００℃以上１４００℃以下の高温域で製造され及び／又は使用されるデバイスであることが好ましい。好ましくは、下限温度は、５５０℃以上であり、より好ましくは６００℃以上であり、さらに好ましくは７００℃以上であり、なお好ましくは８００℃以上であり、一層好ましくは９００℃以上である。また、上限温度は、好ましくは１３５０℃以下であり、より好ましくは１３００℃以下であり、さらに好ましくは１２５０℃以下であり、なお好ましくは１２００℃以下であり、一層好ましくは１１００℃以下である。特に限定するものではないが、使用温度としての高温域としては、好ましくは５５０℃以上であり、より好ましくは６００℃以上であり、さらに好ましくは６５０℃以上である。また、好ましくは９００℃以下であり、より好ましくは８００℃以下であり、さらに好ましくは７５０℃以下であり、より好ましくは７００℃以下である。
【００１９】
一般に、高温域で使用等されるデバイスに適用されるインターコネクト構造も高温に曝される。インターコネクト構造においては、材料の熱膨張率の相違が接合部の亀裂や剥離を引き起こしたりするが、本インターコネクト構造のように、接合部を分散して備えることで、材料の熱膨張率の相違による応力を緩和することができる。また、本インターコネクト構造によれば、金属材料非含有構成とすることができるため、高温域でのインターコネクト構造中の金属疲労や腐食を抑制することができる。
【００２０】
本インターコネクト構造で導電接続される２以上のデバイスは、同種であってもよいし、異種で、あってもよい。例えば、デバイスが団体酸化物形燃料電池のとき、本インターコネクト構造は、ガスを遮断するセパレータ構造を備えた単セルと単セルの導電接続のほか、単セルが複数積層されたスタックとスタックとの導電接続に好適で、ある。なお、後段にて、本インターコネクト構造 を備える固体酸化物形燃料電池について詳述する。
【００２１】
また、本明細書において、デバイスは、導電接続部位として、金属材料、緻密質導電性セラミックス材料などの、導電性緻密質材料であってもよいし、多孔質材料でもよい。こうした導電性接続部位を構成するデバイス表面は、例えば、固体酸化物形燃料電池などのセパレータ材料などの導電性材料を備えることができる。
【００２２】
（本インターコネクト構造）
本インターコネクト構造は、例えば、図１に示すように、１又は２以上の第１の接合部を備えている。第１の接合部は、導電性材料を含んで導電性を有している。第１の接合部の導電性材料としては、特に限定するものではないが導電性セラミックス材料とガラス材料との混合物を用いることができる。
【００２３】
第１の接合部の導電性セラミックス材料としては、特に限定しないで公知の固体酸化物形燃料電池において空気極材料やセラミックセパレータ材料として用いられているものを用いることができる。例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ又はＭｎなどからなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ3，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ3，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ3，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ3，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ3などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ3、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で又は２種以上を混合して使用することができる。
【００２４】
第１の接合部に用いるガラス材料としては、特に限定しないで種々のガラス材料から選択することができるが、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、ボロシリケートガラス、シリカガラス、アルカリバリウムガラス、アルミノホウケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス等から適宜選択して用いることができる。ガラス材料は、第１の接合部でデバイスを接合した際に好適な導電性を得られるように選択することができる。本発明者らによれば、用いる導電性セラミックス材料の焼結温度を考慮して選択することができる。具体的には、ガラス材料が導電性セラミックス材料の焼結温度において導電性セラミックス材料の焼結を阻害しないように選択する。本発明者らによれば、ガラス材料の選択は、導電性セラミックス材料の焼結温度におけるガラス材料の粘性（例えば、軟化温度（ガラスが自重で軟化変形し始める温度で、粘度が１０7.6ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度（例えば、ＪＩＳ Ｒ３１０３−１、２００１に規定される方法により測定できる。）や粘度が１０4ｄＰａ・ｓとなる温度でもよい。）等や、後述するように、導電性セラミックス材料候補の焼結温度近傍での熱処理でのガラスペレットの変形や軟化を評価して決定することができる。
【００２５】
例えば、導電性セラミックス材料候補に、その導電性セラミック材料候補の焼結温度において異なる粘性を示す２以上のガラス材料を組み合わせて、導電率を評価することで、好ましいガラス材料を選択することができる。
【００２６】
例えば、導電性セラミックス材料として、ＬＳＣを用いる場合には、粘度が１０4ｄＰａ・ｓとなる温度が９００〜１０００℃又は軟化点温度が８５０℃以上９００℃以下程度である中粘性ガラス材料（例えば、Ｇ０１８−３８１、ショット製）等を用いることができる。また、導電性セラミックス材料として、ＬＳＭを用いる場合には、上記軟化点が９００℃超１１００℃など１０００℃近傍にある高粘性ガラス材料（例えば、ＨＨＲ１０１０、旭硝子製）等を用いることができる。
【００２７】
好適なガラス材料は、例えば、導電性セラミックス材料候補の焼結温度近傍で所定時間（例えば、１時間程度）、ガラス材料候補の一軸加圧成形等によるペレットを熱処理して、焼結温度近傍におけるガラス材料候補の粘性を評価して、選択することができる。
【００２８】
第１の接合部における導電性セラミックス材料とガラス材料との配合比率は、特に限定するものではなく、好適な導電率が得られるように設定することができる。当業者であれば、導電性セラミックス材料候補とガラス材料候補を種々の配合比で組み合わせて導電率を評価することで、好適な配合比率を決定することができる。例えば、導電性セラミックス材料に対してガラス材料１０質量％以上３０質量％以下とすることができ、また、１０質量％以上２０質量％以下とすることもできる。概して、ガラス材料の配合比率の増大は、導電性の低下をもたらし、同比率の低下は、デバイスとの界面における導電性の低下や接合性や機械的強度の低下をもたらす傾向がある。
【００２９】
本インターコネクト構造は、１又は２以上の第２の接合部を備えることができる。第２の接合部は、第１の接合部よりも低導電性とすることができる。第２の接合部は、第１の接合部に比して、より接合を意図した接合部とすることができる。したがって、第２の接合部は、接合に好適なガラス材料を含むことが好ましい。
【００３０】
第２の接合部のガラス材料も、第１の接合部と同様、特に限定しないで種々のガラス材料から選択することができるが、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、ボロシリケートガラス、シリカガラス、アルカリバリウムガラス、アルミノホウケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス等から適宜選択して用いることができる。第２の接合部のガラス材料は、本インターコネクト構造の接合温度、すなわち、第１の接合部に用いる導電性セラミックス材料の焼結温度近傍において、十分な接合性（融着性）を呈するものであればよい。したがって、第２の接合部に用いるガラス材料は、第１の接合部に用いるガラス材料よりも低粘性のものを選択することができる。特に、第１の接合部に用いる導電性セラミックス材料の焼結温度近傍において、第１の接合部に用いるガラス材料よりも低粘性を呈するものを用いることができる。こうすることで、第１の接合部のみでは不十分な接合性や機械的強度、接着性を本インターコネクト構造に付与することができる。
【００３１】
第２の接合部のガラス材料は、例えば、第１の接合部がＬＳＭと軟化点温度が９００℃超〜１１００℃付近の高粘性ガラス材料を用いる場合には、軟化点温度が８５０℃以上９００℃以下の中粘性ガラス材料を用いることができる。
【００３２】
以上説明したように、第１の接合部及び第２の接合部は、いずれも金属材料を非含有とすることができる。こうすることで、金属材料による特に高温での不都合を排除することができる。
【００３３】
（第１の接合部及び第２の接合部の配置パターン）
例えば、図１に示すように、第１の接合部と第２の接合部とは、それぞれ任意の個数及び配置でデバイス間において互いに離間して備えることができる。相互に離間させることで、それぞれの機能を最も好適な部位で実現させることができる。また、接合部が分散することで、種々の応力緩和も期待できる。
【００３４】
ここで、第１の接合部と第２の接合部とを相互に離間するとは、第１の接合部と第２の接合部とは、互いに接触することなく、直接的にも間接的にも接合されることなく、ギャップを置いて配置されることを意味している。第１の接合部と第２の接合部のギャップは、全て同一でなくてもよい。ギャップは、デバイス間の接合のための面積、導電性、機械的強度等に応じて適宜設定される。
【００３５】
第１の接合部と第２の接合部の配置パターンは特に限定するものではないが、第１の接合部は、デバイス間の導電性接続が好適な領域に、導電性接続のために好適な接合面を得られるように配置することができる。必要な導電接続が得られる第１の接合部の個数及びパターンは任意であるが、例えば、図１Ａ〜図１Ｃに示すように、１個であってもよいし、複数個であってもよい。また、所定の配列（アレイ）又はマトリックス状に配置することもできる。また、図示はしないが、これらの逆のパターン、すなわち、グリッド（格子）状に設けることもできる。
【００３６】
第２の接合部は、第１の接合部による接合強度を補足し、本インターコネクト構造に機械的強度、ガスシール性、耐熱サイクルを付与することができる。このため、こうした機能を発揮する領域に配置することができる。例えば、機械的強度やガスシール性を意図する場合等には、第１の接合部の周囲の少なくとも一部に、あるいはその周囲を包囲するパターンを好ましく用いることができる。すなわち、１又は２以上の第１の接合部の周囲を連続する第２の接合部が任意の外周形態で包囲するパターンを有するセグメントを構成するようにすることが好ましい。
【００３７】
例えば、図１Ａに例示するパターンは、一つの第１の接合部を連続する第２の接合部が包囲する単一のセグメントを有する形態であり、図１Ｃに例示するパターンは、一つの第１の接合部を連続する第２の接合部が包囲するセグメントを複数個マトリックス状に備える形態であり、図１Ｄに例示すパターンは、複数個一列に配列された第１の接合部のアレイの周囲を第２の接合部が包囲するセグメントを複数個配列して備える形態である。また、図１Ｂに示すパターンは、第１の接合部の周囲の少なくとも一部、ここでは、１つの第１の接合部を挟んで対向状に２つの第２の接合部を備える形態である。
【００３８】
なお、本インターコネクト構造において求められる導電性及び融着性等に応じて、任意のパターンを採ることができる。図示はしないが、これらの逆のパターン、すなわち、マトリック状等に設けた第２の接合部の周囲を包囲するように第１の接合部を設けることもできる。
【００３９】
第１の接合部及び第２の接合部の、本インターコネクト構造の高さ方向（すなわち、デバイスとデバイスとの距離に沿う方向）における態様は、デバイス間の導電接続が可能であればよく特に限定するものではない。第１の接合部及び第２の接合部は、接続される一方のデバイスの表面において、共通する高さを有してそのデバイス表面において前記高さを有する層を構成することが好ましい。こうすることで、デバイスとデバイスとを積層して、優れた全体形状及び一体性の複数のデバイスの積層体を容易に得ることができる。
【００４０】
なお、第１の接合部と第２の接合部とは、分離して形成されているために、例えば、曲面を有したり屈曲したりしているデバイス表面であっても、曲面等への追従性に制限されることを回避又は抑制して、容易にインターコネクト構造を構成することができる。
【００４１】
（２以上のデバイスの接合体の製造方法）
本明細書に開示される、２以上のデバイスの接合体の製造方法は、デバイスが備える少なくとも１つの表面上の導電接続要求部位と接着要求部位とに、それぞれ、導電性材料を含む１又は２以上の導電性を有する第１の接合部と、前記第１の接合部よりも低導電性の１又は２以上の第２の接合部と、を分離して配置する工程と、前記１又は２以上の第１の接合部と前記１又は２以上の第２の接合部とを、同時に熱処理して、前記２以上のデバイスを接合する工程と、を備えることができる。本製造方法によれば、２つ以上のデバイスを機械的強度や接着性を確保しつつ容易に導電接続することができる。
【００４２】
本製造方法における、第１の接合部、第２の接合部、その配置等については、既に、本インターコネクト構造において説明したこれらの態様を適用することができる。
【００４３】
第１の接合部及び第２の接合部の配置工程は、従来公知の導電性セラミックス材料やガラス材料の付与工程に基づいて実施することができる。特に限定するものではないが、第１の接合部の原料組成物及び第２の接合部の原料組成物を、それぞれ、スプレー描画、テープキャスティング、スクリーン印刷等公知の適用方法にてデバイスの一方の表面に所定の配置パターンで供給して、これらの原料組成物層を形成することができる。
【００４４】
次いで、これら原料組成物層を形成したデバイスともう一方のデバイスを接合すべき形態で積層し、第１の接合部のための導電性セラミックス材料が焼結して導電性を発揮可能な温度で所定時間熱処理する。熱処理条件は、当業者であれば、導電性セラミックス材料の焼結温度等を考慮して設定することができる。
【００４５】
以上の工程により、２つのデバイスを機械的強度や接着性を確保して導電接続することができる。すなわち、第１の接合部のための原料組成物層が、熱処理により第１の接合部として主として導電接続を確保するとともに、第２の接合部のための原料組成物層が、熱処理により第２の接合部として主として機械的強度、接着性を確保することができる。
【００４６】
（固体酸化物形燃料電池）
本インターコネクト構造は、高温域で製造され、及び／又は高温域で作動するデバイスに好適であることから、固体酸化物形燃料電池のインターコネクト構造に好適である。本インターコネクト構造は、固体酸化物形燃料電池の単セル、固体電解質を挟んで燃料極と気極とをそれぞれ備え、さらに最外層に緻密質な導電性セパレータを備える単セル間を導電接続するのに好適である。また、本インターコネクト構造は、こうした単セルが複数個積層されてなる固体酸化物形燃料電池スタックをさらに導電接続するためのインターコネクト構造として好適である。すなわち、こうした固体酸化物形燃料電池のセル又はスタックの積層方向の少なくとも１つのガスを遮断するセパレータに対して本インターコネクト構造を備えることができる。
【００４７】
本インターコネクト構造を備える固体酸化物形燃料電池は、従来公知の固体酸化物形燃料電池であれば、特に限定しないで適用することができる。また、平板型であっても円筒型等であってもよい。
【００４８】
特に限定するものではないが、本インターコネクト構造は、例えば、再表２００９／１１９７７１号公報に開示される積層型固体酸化物形燃料電池やスタックの導電接続に好適である。本インターコネクト構造は、その高さ方向の積層高さが５μｍ以上２００μｍ以下程度の層として確保することができるからである。また、本インターコネクト構造は、この種の積層型固体酸化物形燃料電池に好適な機械的強度を提供することができるからである。さらに、本インターコネクト構造は、導電性セラミックス材料の焼結温度での熱処理が可能であるため、固体酸化物形燃料電池セル又はスタックの熱処理とともに本インターコネクト構造も同時に熱処理して一体化することができるからである。こうした積層型固体酸化物形燃料電池のいては、ガスを遮断するセパレータ構造を備えるセルの一括焼成体を含み、少なくともかかるセパレータ構造のセパレータが本インターコネクト構造を備えることができる。
【００４９】
（インターコネクタ）
以上説明したことから、本インターコネクト構造は、デバイスの接合すべき導電性材料部位、例えば、固体酸化物形燃料電池のセパレータに対して第１の接合部と第２の接合部とを本インターコネクト構造の形態で予め備えたインターコネクタを構成することもできる。こうしたインターコネクタによれば、固体酸化物形燃料電池のセルやスタック間を導電接続することができる。
【実施例】
【００５０】
以下、本明細書の開示を以下の実施例を具体例を挙げて説明する。しかしながら、以下の実施例は、本明細書の開示を限定するものではない。
【実施例１】
【００５１】
（ガラスの粘性と導電性との関係）
導電部で用いるガラスの粘性について検討を行った。導電性酸化物とガラスとを混合して導電部を構築する際には、熱処理によって導電性酸化物が焼結し、膜に垂直な方向の導電性を保持する必要がある。しかし、高温におけるガラスの状態によっては、ガラスが導電性酸化物の焼結を阻害する可能性がある。そこで、高温における粘性が異なる2種類のガラスを用いて、最適化を行った。用いたガラスは、低粘性ガラス（ショット製、Ｇ０１８−３８１）と中粘性ガラス（ショット製、Ｇ０１８−３８５）と高粘性ガラス（旭硝子製、ＨＨＲ１０１０）とした。この低粘性ガラスは、１０４ ｄＰａｓの粘度となる温度が９６２℃であるのに対して、中粘性ガラスは、１２６６℃である。【００５２】
導電性酸化物としてLa0.2Sr0.8CoO3-δ（ＬＳＣ）を用い、低粘性ガラスを用いたときと中粘性ガラスを用いたときの導電性の違いを検討した。ＬＳＣに対して、それぞれのガラスを３０ｍａｓｓ％添加した粉末を空気中９００℃、１時間の融着処理を行った。この試料について導電率を計測した。その結果を図２に示す。【００５３】
図２に示すように、ガラスの粘性によって導電性材料の導電性が大きく異なることが分かった。その中でも、導電性セラミックス材料の焼結温度とガラスの軟化温度とをパラメータとして最適化することが重要であることが分かった。導電性セラミックス材料としては、焼結温度が比較的低いＬＳＣについては、軟化点温度が８５０〜９００℃にある低粘性ガラスの方が適していることがわかった。さらに、ほかの導電性酸化物についても検討した結果、焼結温度が高いＬＳＭについては、軟化温度が１０００℃付近にある高粘性ガラスの方が好ましいことがわかった。
【実施例２】
【００５４】
（高温でのガラス成分の粘性評価）
導電性セラミックス材料の焼結温度、すなわち、融着温度付近におけるガラスの粘性をペレットからの変形により評価した。用いたガラスは、中粘性ガラス（ショット製、Ｇ０１８−３８５）と高粘性ガラス（旭硝子製、ＨＨＲ１０１０）である。これらガラスの粉末を一軸加圧成形によりペレットを作製した後、空気中、１０００℃で１時間熱処理を行った。その結果を図３に示す。【００５５】
図３に示すように、ガラスのペレットを用いて、熱処理による形状変化により、高温状態における粘性の高低を見積もることができることがわかった。ここで用いた高粘性ガラスについては、融着温度付近での粘性の詳細は必ずしも明らかではなかった。しかしながら、図３の結果により、中粘性ガラスと比較しても、融着温度付近での粘性は明らかに高いことが分かった。したがって、こうした熱処理試験を行うことで、ガラス材料の高温域での粘性特性を評価して、本インターコネクト構造の第１の接合部及び第２の接合部への使用可否を決定できることがわかった。
【実施例３】
【００５６】
（導電性酸化物とガラス成分の混合割合最適化）
次に、導電性酸化物としてＬＳＭを用いた際の、ガラスとＬＳＭの混合割合について検討した。ＬＳＭを導電性酸化物として用いた際には、ガラスとしては高粘性ガラスを用いた方が導電部材としての導電性が高いことがこれまでの結果により明らかになっている。そこで、ＬＳＭに対して１０〜５０ｍａｓｓ％の割合で、高粘性ガラス粉末を添加し、空気中１０００℃で１時間、溶融処理した導電部材について、導電率の温度依存性を調べた。その結果を図４に示す。【００５７】
図４に示すように、１０〜３０ｍａｓｓ％では導電性の変化は小さいが、５０％とすることによって著しい導電性の低下がみられた。従って、導電性酸化物の焼結性に適応した高温での粘性を有するガラスを用いた時でも、その混合割合によって導電部材の特性が大きく異なる。混合割合としては、導電部材に対して１０〜３０ｍａｓｓ％の範囲で、好ましくは１０〜２０ｍａｓｓ％であることが分かった。ガラスの混合割合が少ないと、融着後の界面で、十分な密着性、緻密性、機械的強度を得ることができない。それに対して、ガラスの混合割合が多いと、導電性の著しい低下をもたらす。
【実施例４】
【００５８】
（導電部材の熱処理条件最適化）
上記の導電性セラミックス材料とガラス材料の種類及び混合割合の最適化の後に、熱処理温度について検討を行った。それぞれ９５０℃から１１００℃の間で１時間熱処理した。得られた導電部の微細構造を図５に示す。図５に示すように、９５０℃の熱処理では、導電性酸化物（ＬＳＭ）の焼結が不十分であり、導電性についても機械的強度についても不十分であることが分かった。また、焼成温度を１１００℃まで上昇させると、導電部材中で、ガラス成分と導電性酸化物の部分で分離している様子が見られた。この分離は、融着後の機械的強度の不均一性をもたらす。従って、本導電部材については、１０００〜１０５０℃の範囲で熱処理することが好ましいことが分かった。【００５９】
そこで、測定可能な機械的が得られた１０００℃から１１００℃の範囲で得られた第１の接合部に相当する導電性材料の導電性を評価した。図６に、空気中で１０時間融着処理した試料についての結果を示す。図６に示すように、高温で熱処理した方が、ＬＳＭの焼結が進み、導電性が上昇することがわかった。
【実施例５】
【００６０】
（導電部と融着部との分離）
以上の結果より、導電性材料については、比較的高温で熱処理した方が高い導電性が得られる一方、ガラス材料との分離によって、機械的な接着性に問題が生じることを見いだすことができた。また、導電性材料については、導電性セラミックス材料と高温でのガラスの粘性との最適化が重要であることが分かった。これらの結果より、高い導電性と十分な接着性を実現させるインターコネクタとしては、高い導電性を担う導電部（本インターコネクタにおける第１の接合部に相当）と高い機械的強度を担う融着部（本インターコネクト構造における第２の接合部に相当）を分離することが望ましいとの結論に至った。【００６１】
すなわち、導電部と融着部で高温での粘性が異なるガラスを用いることが重要であった。とくに、導電性セラミックス材料としてＬＳＭを用いた際には、ガラス材料に高温での粘性が相対的に高い高粘性ガラスを用い、融着部のガラス材料に、高温での粘性がより低い中粘性ガラスを使用することが好適であることがわかった。また、これらの各部のガラス材料が高温で混合しないように、２ｍｍ以上のギャップを製造時に備えることが重要であることが分かった。融着時に両ガラスの混合が起こると、その導電率が著しく低下してしまったからである。【００６２】
以上の知見をもとに、図１Ａに示す囲い型の平板型インターコネクト構造を構築し、その導電性等を検討した。すなわち、導電部にＬＳＭと１０ｍａｓｓ％の高粘性ガラス（既述の旭硝子製）、さらに融着部に中粘性ガラス（既述のショット製）を用いて、平板型インターコネクト構造を作製した。融着（熱処理）条件は、空気中、１０００℃、１時間とした。得られた平板型インターコネクタを２００℃と８５０℃の間で昇降温を繰り返し、そのときの各サイクルの８５０℃における界面抵抗（ＡＳＲ）を調べた。その結果を、図７に示す。【００６３】
図７に示すように、十分に低い界面抵抗と熱サイクルに対する耐久性を備えていることが分かった。このことは、作製したインターコネクト構造が好適な導電性を備えるとともに、良好なシール性（密着性）と機械的強度を有しており、しかも、金属材料を含まないために、熱膨張係数の相違もなく安定してインターコネクト構造が維持できたことによるものと考えられた。
【図１】
2017199448.tif 000003
【図２】
2017199448.tif 000004
【図３】
2017199448.tif 000005
【図４】
2017199448.tif 000006
【図５】
2017199448.tif 000007
【図６】
2017199448.tif 000008
【図７】
2017199448.tif 000009
【国際調査報告】
2017199448.tif 000010
2017199448.tif 000011
2017199448.tif 000012
2017199448.tif 000013